JP2013231540A - 燃焼装置および燃焼ガスの浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ還元触媒においてＮＯｘの還元反応で生成されたＮＨ₃がＮＨ₃酸化触媒でＮＯｘに酸化されるのを抑制しつつ、ＣＯを低減することができる燃焼装置および燃焼ガスの浄化方法を提供する。
【解決手段】本発明の燃焼装置１０は、バーナ１３と、缶体１４と、排出通路１５と、缶体１４内の空間に設けられるＮＯｘ還元触媒Ｃ１と、排出通路１５内であって燃焼ガスＧ２中のＮＨ₃がＮＯｘに酸化される割合よりもＮ₂に酸化される割合が高い所定のガス温度の範囲内となる領域に設けられるＮＨ₃酸化触媒Ｃ２と、排出通路１５のＮＯｘ還元触媒Ｃ１とＮＨ₃酸化触媒Ｃ２との間に設けられ、排出通路１５に二次燃焼用空気を供給するための空気供給部１７と、燃料ガスを理論空気比以下で燃焼させ、燃焼ガスＧ２を生成する燃焼制御部３９とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼装置および燃焼ガスの浄化方法に関する。

従来、ボイラ等の燃焼装置に備えているバーナで発生する燃焼ガスは、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）を所定の数値（例えば、規制値等）以下としてから排出している。燃焼装置で発生した燃焼ガスは、触媒を通過させて燃焼ガスに含有されるＣＯ、ＮＯｘを酸化、還元してこれらを除去し、燃焼ガスに含まれるＣＯ、ＮＯｘを規制値以下に低減している。

燃焼ガスに含まれるＮＯｘ、ＣＯを触媒を用いて低減するための技術として、燃料に対する空気比を制御して燃料を燃焼させて発生した燃焼ガスをＮＯｘの還元を促進するＮＯｘ還元触媒やＣＯの酸化を促進するＣＯ酸化触媒に通過させることにより、ＮＯｘ、ＣＯを低減する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１では、１段目で燃料に対する空気比を１．０よりも小さくしてＮＯｘ還元触媒を通過する際の燃焼ガス中に含まれるＣＯ含有量を高くすることで、ＮＯｘ還元触媒を通過する燃焼ガス中のＮＯｘを過剰ＣＯにより目標値以下にまで還元させる。その後、燃焼ガスに空気を注入してＣＯ酸化触媒を通過する燃焼ガスの酸素（Ｏ₂）含有量を高くすることで、燃料に対する空気比を１．０よりも大きくして二段目以降でＣＯ酸化触媒において１段目のＮＯｘ還元触媒を通過したＣＯを酸化して除去していた。これにより、燃焼ガスは、燃焼ガス中に含まれるＣＯ、ＮＯｘ濃度を規制値以下として排出していた。

特開２０１０−１９０５２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような技術では、燃焼ガス中に含まれるＮＯｘをＮＯｘ還元触媒で還元する１段目で、燃料に対する空気比を１．０よりも小さくすると、ＮＯｘは還元されてＮ₂になる割合が低く、ＮＯｘが還元されてＮＨ₃になる割合が高いため、ＮＨ₃が多量に生成しやすい。ＮＯｘ還元触媒でＮＯｘの還元反応により生成されたＮＨ₃は、ＮＯｘ還元触媒後の高温雰囲気下や燃焼ガス中に含まれるＣＯをＣＯ酸化触媒で酸化する二段目以降で、ＮＨ₃は酸化されて再びＮＯｘとなり易く、燃焼ガス中のＮＯｘ量が増大する可能性がある。そのため、燃焼ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を規制値以下として燃焼ガスを排出することは困難となる可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＮＯｘ還元触媒においてＮＯｘの還元反応で生成されたＮＨ₃がＮＨ₃酸化触媒でＮＯｘに酸化されるのを抑制しつつ、ＣＯを低減することができる燃焼装置および燃焼ガスの浄化方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明者は燃焼装置および燃焼ガスの浄化方法について鋭意研究を重ねた結果、ＮＨ₃酸化触媒が、燃焼ガスのガス温度に応じて燃焼ガス中のＮＨ₃がＮＯｘに酸化される割合を低減することができるとともに、Ｎ₂に酸化される割合を増大させることができることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものである。

本発明に係る燃焼装置は、燃料を燃焼させることでＮＯｘ、ＣＯを含む燃焼ガスを生成するバーナと、前記燃焼ガスから吸熱する吸熱手段と、前記吸熱手段で熱が奪われた燃焼ガスを外部に排出する排出通路と、前記吸熱手段内で前記燃焼ガスが流れる空間又は前記排出通路に設けられ、前記燃焼ガス中のＮＯｘを還元する触媒成分を備えるＮＯｘ還元触媒と、前記排出通路内で前記ＮＯｘ還元触媒よりも前記燃焼ガスの流れ方向の下流側であって前記燃焼ガス中のＮＨ₃がＮＯｘに酸化される割合よりもＮ₂に酸化される割合が高い所定のガス温度の範囲内となる領域に設けられ、少なくとも前記燃焼ガス中のＮＨ₃を酸化する触媒成分を備えるＮＨ₃酸化触媒と、前記排出通路の前記ＮＯｘ還元触媒と前記ＮＨ₃酸化触媒との間に設けられて、前記空間に酸素を含有する酸化ガスを供給するための酸化ガス供給手段と、前記燃料を理論空気比以下で燃焼させ、前記燃焼ガスを生成する燃焼制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明の好ましい態様として、前記ＮＨ₃酸化触媒よりも前記燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記燃焼ガス中のＣＯを酸化する触媒成分を備えるＣＯ酸化触媒を有することが好ましい。

本発明に係る燃焼ガスの浄化方法は、上記何れかの燃焼装置を用いて、燃料を燃焼させることにより発生した燃焼ガスに含まれるＮＯｘ、ＣＯを低減する燃焼ガスの浄化方法であって、前記燃焼ガスがＮＨ₃酸化触媒を通過する際の前記燃焼ガス中のＮＨ₃がＮＯｘに酸化される割合よりもＮ₂に酸化される割合が高い所定のガス温度の範囲内となるように、前記燃料を理論空気比以下で燃焼する燃焼工程と、前記燃焼ガスから吸熱する吸熱手段を前記燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路又は前記吸熱手段で熱が奪われた燃焼ガスを外部に排出する排出通路に設けたＮＯｘ還元触媒により、前記燃焼ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ還元工程と、前記ＮＯｘ還元触媒を通過した前記燃焼ガスに酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給工程と、前記排出通路内で前記所定のガス温度の範囲内の領域に設けたＮＨ₃酸化触媒により、前記燃焼ガス中のＮＨ₃を酸化し、Ｎ₂を生成するＮＨ₃酸化工程と、を含み、前記ＮＨ₃酸化触媒を通過する際の前記燃焼ガスの温度が前記所定のガス温度の範囲外の場合には、燃焼を調整することを特徴とする。

本発明によれば、ＮＯｘ還元触媒においてＮＯｘの還元反応で生成されたＮＨ₃がＮＨ₃酸化触媒でＮＯｘに酸化されるのを抑制しつつ、ＣＯを低減することができる。

本実施形態に係る燃焼装置の縦断面の説明図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 ＮＯｘ還元触媒の構成の一例を示す図である。 燃焼ガスの温度とＮＨ₃酸化触媒のＮＯｘ生成率との関係を示す概念図である。 燃焼ガスの温度とＮＨ₃酸化触媒のＮＨ₃転化率とＣＯ転化率との関係を示す概念図である。 燃焼装置の他の構成の一例を示す図である。

以下、本発明を好適に実施するための形態（以下、実施形態という。）につき、詳細に説明する。尚、本発明は以下の実施形態に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

＜燃焼装置＞
本発明の実施形態に係る燃焼装置について説明する。図１は、本実施形態に係る燃焼装置の縦断面の説明図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る燃焼装置（ボイラ）１０は、角型多管式貫流ボイラであり、燃焼用空気供給部１１と、燃料供給部１２と、バーナ１３と、角型の缶体（吸熱手段）１４と、排出通路１５と、浄化装置１６と、空気供給部（酸化ガス供給部）１７と、給水予熱器（熱回収器）１８と、制御装置１９と、を備えている。

燃焼用空気供給部１１は、バーナ１３へ燃焼用空気（外気）を供給するものである。燃焼用空気供給部１１は、送風機２１と、送風機２１からバーナ１３へ燃焼用空気を供給する給気通路２２とを備えている。

燃料供給部１２は、バーナ１３へガス燃料（燃料ガス）を供給するものである。燃料供給部１２は、燃料ガスを供給するガス燃料供給管２３と、ガス燃料供給管２３の燃料流量を調整する燃料調整弁２４と、燃料ノズル２５とを備えている。ガス燃料供給管２３は、給気通路２２に設けられている。燃料ノズル２５は、給気通路２２の流路内に燃料ガスを噴出するようになっている。燃料ノズル２５から給気通路２２の流路内に噴射された燃料ガスは、送風機２１から供給される燃焼用空気と混合される。

送風機２１から送風された燃焼用空気と燃料ノズル２５から供給された燃料ガスとが給気通路２２内で混合されて、混合ガスＧ１が生成される。

混合ガスＧ１の空気比は、１．０よりも小さく、好ましくは０．７０以上０．９５以下であり、より好ましくは０．８０以上０．９０以下である。混合ガスＧ１の空気比が上記範囲内の場合には、混合ガスＧ１の酸素（Ｏ₂）量は少なく、酸素が不足している領域の空気比であるため、混合ガスＧ１を燃焼させた際に、ＮＯｘが生成されるのを抑制しつつ混合ガスＧ１を燃焼させることができる。

本実施形態においては、本実施形態に係る燃焼装置１０の燃料は、燃料ガスを用いているが、燃料ガスに代えて、例えば、重油などの液体燃料又は微粉炭を用いてもよい。

混合ガスＧ１は、バーナ１３から缶体１４内に噴出して燃焼し、缶体１４内の水管を加熱する。なお、ガス燃料供給管２３に供給される燃料ガスと燃焼用空気は、缶体１４内の燃焼温度が例えば１１５０℃以下となるように、燃料供給ライン２６、燃焼用空気供給部１１から適量供給され、給気通路２２で混合され、供給される。

バーナ１３は、燃料を燃焼する過程で、Ｏ₂、ＣＯを含む燃焼ガスＧ２を生成するものである。バーナ１３は、不図示の多数の予混合ガス噴出孔が略同一平面上に形成された平面状の燃焼面を有する完全予混合式バーナである。バーナ１３は、波板と平板とを交互に積層して矩形平板状に構成されている。給気通路２２を通過した混合ガスＧ１がバーナ１３で燃焼し、高温の燃焼ガスＧ２となる。燃焼ガスＧ２は、燃焼ガスＧ１の空気比を１より小さくしているので、ＣＯ、Ｈ_２等を含む還元性雰囲気となっている。なお、図１中、バーナ１３から缶体１４内に示した破線部は、バーナ１３で形成される火炎を概念的に表したものである。

本明細書において、燃焼ガスＧ２とは、燃料ガスの燃焼反応が完了したものおよび燃焼反応中の燃料ガスの少なくとも一方を含む概念である。すなわち、燃焼ガスＧ２は、燃料ガスの燃焼反応が完了したものおよび燃焼反応中の燃料ガスの両方を有するものでもよいし、燃料ガスの燃焼反応が完了したもののみでもよいし、燃焼反応中の燃料ガスのみを有する場合でもよい。

なお、本実施形態では、バーナ１３は予混合式バーナであるが、これに限定されるものではなく、予混合式バーナ以外の拡散混合型バーナ、旋回式バーナ等周知のバーナを用いることができる。

缶体１４は、上部管寄せ１４Ａと、下部管寄せ１４Ｂと、水管群１４Ｃとを備えている。水管群１４Ｃは、上下方向に延在して設置された上部管寄せ１４Ａおよび下部管寄せ１４Ｂを連結する多数の内側水管（内側伝熱管）２７、複数の外側水管（外側伝熱管）２８を備えている。尚、上部管寄せ１４Ａの下部と下部管寄せ１４Ｂの上部とには耐火物２９が設けられている。缶体１４は、燃焼ガスＧ２から吸熱するものであり、水管群１４Ｃの内側水管２７および外側水管２８内に貯留された水を燃焼ガスＧ２と熱交換させて蒸発させ、蒸気を発生させている。

図２に示すように、缶体１４は、その内部の長手方向の両側に一対の連結壁３０を備えている。連結壁３０は、隣接する外側水管２８同士を連結している。外側水管２８、一対の連結壁３０、上部管寄せ１４Ａおよび下部管寄せ１４Ｂとで囲まれた空間が、バーナ１３からの燃焼ガスＧ２が流通するガス流動空間Ｓを形成している。缶体１４は、ガス流動空間Ｓの一端にバーナ１３を備え、他端に燃焼ガス出口３２を備えている。燃焼ガス出口３２は燃焼ガスが流通する排出通路１５と接続されている。

図１に示すように、排出通路１５は、缶体１４で熱を奪われて温度が低下した燃焼ガスＧ２を外部へ排出するための通路である。排出通路１５は、その通路内に、空気供給部１７と、浄化装置１６と、給水予熱器１８とを各々個別に着脱自在に備えている。空気供給部１７と浄化装置１６と給水予熱器１８とは、排出通路１５に燃焼ガスＧ２のガス流れ方向の上流側からこの順に設けられている。

浄化装置１６は、燃焼ガスＧ２に含まれているＮＯｘ、ＣＯを除去するものである。浄化装置１６は、ガス流動空間Ｓと排出通路１５とにより形成されるガス流路に設けられている。ＮＯｘ還元触媒Ｃ１は燃焼ガスＧ２が通過するガス流動空間Ｓに設けられている。ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２とＣＯ酸化触媒Ｃ３とは、排出通路１５に燃焼ガスＧ２の流れ方向の上流側からこの順番に備えている。

ＮＯｘ還元触媒Ｃ１は、燃焼ガスＧ２中のＮＯｘを還元する触媒成分として触媒活性材料を備えるものである。ＮＯｘ還元触媒Ｃ１は、燃焼ガスＧ２に含まれるＮＯｘを還元してＮ₂とすることによりＮＯｘを除去する。図３は、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１の構成の一例を示す図である。図３に示すように、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１は、複数の通気孔Ｐが形成された矩形平板状の基材Ｃ１０で形成されており、この通気孔Ｐを燃焼ガスＧ２が通過するように設置される。基材Ｃ１０は、その表面に、触媒活性材料として、例えば白金（Ｐｔ）を担持している。

基材Ｃ１０は、帯状の平板からなる第１の基材Ｃ１１と波板からなる第２の基材Ｃ１２とを交互に重ね合わせたものを側板Ｃ１３により囲んで形成されている。第１の基材Ｃ１１および第２の基材Ｃ１２は、表面に多数の微小な凹凸が形成されていて接触面積を広くしている。第１の基材Ｃ１１および第２の基材Ｃ１２は、表面の微小な凹凸に触媒活性材料を担持している。第１の基材Ｃ１１および第２の基材Ｃ１２は、例えば、ステンレスなどの金属のほかにセラミックなどを用いて形成される。

ＮＯｘ還元触媒Ｃ１の構造は、基材Ｃ１０のように、複数の通気孔Ｐを備えたものに限定されるものではなく、基材の表面に触媒活性材料を担持させ、燃焼ガスＧ２が通気できるものであればよい。例えば、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１の構造は、表面に多数の孔を有する担体の表面に触媒活性材料を担持させた構成としてもよい。また、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ１の構造は、通気可能な流路が形成された容器内に触媒活性材料が担持されたペレットを多数収容した構成としてもよい。

また、触媒活性材料は、白金以外の貴金属（Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｉｒなど）又は金属酸化物（ＮｉＯ_Ｘ、ＣｕＯｘ、Ｃ_ＯＯｘ、ＭｎＯｘなど）であってもよい。

ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２は、少なくとも燃焼ガスＧ２中のＮＨ₃を酸化する触媒成分として触媒活性材料を備えるものである。ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２は、燃焼ガスＧ２に含まれるＮＨ₃を酸化してＮ₂とすることによりＮＨ₃を低減している。ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２は、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１と同様、基材Ｃ１０の表面に、触媒活性材料として、例えば貴金属（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕなど）又は金属酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂など）を担特している。

ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２は、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１よりも燃焼ガスＧ２の流れ方向の下流側であって、燃焼ガスＧ２中のＮＨ₃が酸化されてＮＯｘとなる割合よりも酸化されてＮ₂となる割合が高くなる燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の範囲内となる領域に設けられている。所定のガス温度の範囲は、例えば、１２０℃以上２１０℃以下であり、より好ましくは１３０℃以上２００℃以下であり、更に好ましくは１３５℃以上１９５℃以下である。ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２を、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の範囲内となる領域に配置することにより、燃焼ガスＧ２中に含まれるＮＨ₃を酸化させてＮＯｘにする割合を低減し、ＮＨ₃を酸化させてＮ₂にする割合を増大させることができ、燃焼ガスＧ２からＮＯｘを効率的に低減できる。

ＣＯ酸化触媒Ｃ３は、燃焼ガスＧ２中のＣＯを酸化する触媒成分として触媒活性材料を備えている。ＣＯ酸化触媒Ｃ３は、燃焼ガスＧ２に含まれるＣＯを酸化してＣＯ₂とすることによりＣＯを除去している。ＣＯ酸化触媒Ｃ３は、図３に示したＮＯｘ還元触媒Ｃ１と同様の構成とされている。なお、ＣＯ酸化触媒Ｃ３に用いる触媒活性材料は、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１に用いる触媒活性材料と同様でもよいし、異なる種類の材料を用いてもよく、任意に調整可能である。

空気供給部１７は、排出通路１５の通路内の空間に空気を供給するものである。空気供給部１７は、外部からの空気を供給する通風器３３と、排出通路１５に設けられる空気供給管３４と、排出通路１５内に空気を噴霧する空気ノズル３５と、を有する。この空気ノズル３５から空気がＮＯｘ還元触媒Ｃ１の下流側に供給される。これにより、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１を通過した燃焼ガスＧ２の空気比を１よりも大きくすることができ、ＣＯ酸化触媒Ｃ３におけるＣＯの酸化を効率的に促進することができると共に、ＮＨ₃をＮＯｘに酸化させずＮ₂に酸化させることができる。

燃焼ガスＧ２の空気比は、１よりも大きく、好ましくは１以上１．３以下である。

適量の燃焼ガスＧ２を供給した時の燃焼ガスＧ２のガス温度とその時のＮＨ₃酸化触媒Ｃ２におけるＮＯｘ生成率、ＮＨ₃、ＣＯ転化率（酸化率）を図４、５に示す。図５は、燃焼ガスＧ２の温度とＮＨ₃酸化触媒Ｃ２のＮＯｘ生成率との関係を示す概念図であり、図５は、燃焼ガスＧ２の温度とＮＨ₃酸化触媒Ｃ２のＮＨ₃転化率とＣＯ転化率との関係を示す概念図である。なお、図４、５中、空間速度(Space Velocity：ＳＶ値)を、４０，０００ｈ^-1、８０，０００ｈ^-1、１２０，０００ｈ^-1、１６０，０００ｈ^-1の４通りで、ＮＯｘ、Ｏ₂、ＣＯ、ＮＨ₃を含むガスをＮＨ₃酸化触媒Ｃ２に通過させた。また、図５中、実線はＮＨ₃転化率を示し、破線はＣＯ転化率を示す。

図４に示すように、燃焼ガスＧ２の温度が所定の温度Ｔ₁の範囲内の場合には、ＮＯｘ生成率がマイナスになることから、燃焼ガスＧ２中のＮＨ₃がＮ₂に変化していることになる。一方、燃焼ガスＧ２の温度が所定の温度Ｔ₁の範囲外の場合には、ＮＯｘ生成率がプラスになることから、燃焼ガスＧ２中のＮＨ₃がＮＯｘに変化していることになる。また、図５に示すように、燃焼ガスＧ２の温度が高くなるにしたがって、ＮＨ₃酸化率およびＣＯ転化率は上昇し、温度Ｔ₂（例えば、２２０℃）でＮＨ₃転化率およびＣＯ転化率は９７％以上となっている。

理論空気比よりも低い空気比で混合ガスＧ１を燃焼させた燃焼ガスＧ２中に含まれるＮＯｘはＮＯｘ還元触媒Ｃ１で還元された際にＮＨ₃を生成する。この際、空気ノズル３５から空気を排出通路１５内に注入する空気注入法等の酸化方法を用いて燃焼ガスＧ２中に含まれるＣＯ、ＮＨ₃を有効に酸化させる場合、図４に示すように、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度Ｔ₁の範囲よりも高いと、ＮＨ₃がＮＯｘに酸化されるため、低ＮＯｘ化は困難になるといえる。

これに対し、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１で生成されたＮＨ₃はＮＨ₃酸化触媒Ｃ２に到達した際に、燃焼ガスＧ２の温度が所定の温度Ｔ₁の範囲内の場合には、ＮＨ₃はＮＨ₃酸化触媒Ｃ２において供給された空気と反応して酸化されてＮ₂となり、ＮＯｘへの酸化量が低減される。そのため、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２においてＮＨ₃が酸化されてＮＯｘが生成されることを抑制できる。

よって、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２を燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度Ｔ₁の範囲内となる領域に配置することにより、燃焼ガスＧ２中に含まれるＮＨ₃が酸化されてＮＯｘになる割合を低減し、ＮＨ₃が酸化されてＮ₂になる割合を増大させることができ、燃焼ガスＧ２からＮＯｘを効率的に低減できる。

給水予熱器１８は、排出通路１５を通過する燃焼ガスＧ２を給水予熱器１８に供給された水と熱交換して冷却するものである。燃焼ガスＧ２との熱交換により加熱された水は、例えば下部管寄せ１４Ｂに缶水として供給される。

また、排出通路１５には、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１の燃焼ガスＧ２の流れ方向の上流側および下流側には、空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサという）３８−１、３８−２が設けられている。Ａ／Ｆセンサ３８−１、３８−２は、例えば、Ｏ₂分解能が５０ｐｐｍで応答時間２ｓｅｃ以下の応答性の良好なジルコニア式空燃比センサなどである。Ａ／Ｆセンサ３８−１、３８−２により、空気供給前後の燃焼ガスＧ２の空気比を求めることができる。

制御装置１９は、燃料ガスを理論空気比以下で燃焼させ、燃焼ガスＧ２を生成するよう制御する燃焼制御部３９を備えている。燃焼制御部３９は、燃料ノズル２５から供給する燃料供給量と送風機２１から送風された燃焼用空気量を制御することにより混合ガスＧ１の空気比を調整する。燃焼制御部３９は、燃料ガスに対する空気比を理論空気比近傍に調整することが可能であり、理論空気比以下として還元性の燃焼ガスとしたり、わずかに理論空気比よりも大きくしたりしてＨＣ（炭化水素）が完全燃焼されることにより又は不完全燃焼であっても燃焼ガスＧ２中の残留Ｏ₂で酸化されてＨＣを含まない状態の燃焼ガスを生成することができる。

制御装置１９は、Ａ／Ｆセンサ３８−１、３８−２など各種センサの検出信号を、外部入力回路を介して入力する。そして、制御装置１９は、これらの検出信号に基づいて、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２の通過前後の燃焼ガスＧ２中のＮＯｘ濃度、空気供給後の燃焼ガスＧ２の空気比を求める。そして、制御装置１９は、求めた空気供給後の燃焼ガスＧ２の空気比の値に基づいて、燃焼制御部３９に燃料調整弁２４および送風機２１に信号を出力させ、燃料ガスの供給量、燃焼用空気の送風量等を調整させる。これにより、燃焼制御部３９は、燃焼ガスＧ２の空気比を調整すると共に、燃焼ガスＧ２がＮＨ₃酸化触媒Ｃ２を通過する際のガス温度が所定の温度の範囲内となるように調整可能としている。

＜燃焼装置の動作＞
つぎに、以上の構成を有する本実施形態に係る燃焼装置１０の動作を図１を参照にしつつ説明する。まず、送風機２１から供給される燃焼用空気は、ガス燃料供給管２３から供給される燃料ガスと給気通路２２内において予混合され、混合ガスＧ１を生成する。このとき、混合ガスＧ１の空気比は１よりも低い空気比とする。この混合ガスＧ１はバーナ１３で着火手段（図示しない）により着火され、燃焼し、高温の燃焼ガスＧ２を生成する。この燃焼は、上記のように空気比が１よりも低い空気比で行われる。混合ガスＧ１を１よりも低い空気比で燃焼することにより、混合ガスＧ１を燃焼した際にＮＯｘが生成される量を抑制することができる。

燃焼ガスＧ２は、バーナ１３から缶体１４内のガス流動空間Ｓへ向けて噴出される。混合ガスＧ１の燃焼に伴い生ずる燃焼ガスＧ２は、ガス流動空間Ｓを通過しながら水管群１４Ｃの内側水管２７および外側水管２８内に貯留された水と熱交換して、水を蒸発させ、蒸気とする。水を蒸発させることにより生じた蒸気は上部管寄せ１４Ａを経由して蒸気消費設備に供給される。

燃焼ガスＧ２は燃焼ガスＧ２のガス流れ方向の上流側から下流側にかけて水管群１４Ｃ内を流れ、缶水と熱交換される。

燃焼ガスＧ２は水管群１４Ｃを通過した後、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１を通過する。そして、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１において、燃焼ガスＧ２とＮＯｘ還元触媒Ｃ１に含まれる触媒成分とが接触することにより、燃焼ガスＧ２に含まれるＮＯｘがＮＯｘ還元触媒Ｃ１に吸着される。ＮＯｘ還元触媒Ｃ１に吸着されたＮＯｘは還元されてＮ₂となる。また、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１を燃焼ガスＧ２が通過する際の還元反応により、ＮＨ₃が生成される場合がある。この結果、燃焼ガスＧ２に含まれるＮＯｘが低減される。

水管群１４Ｃ、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１を通過した燃焼ガスＧ２のガス温度は所定の温度の範囲内となる。そして、水管群１４Ｃを通過した燃焼ガスＧ２は、燃焼ガス出口３２から排出通路１５側に移動する。

次いで、通風器３３から取り込んだ空気が空気供給管３４を通って空気ノズル３５から排出通路１５内に供給され、燃焼ガスＧ２と混合される。これにより、燃焼ガスＧ２中の酸素濃度が高くなり、燃焼ガスＧ２の空気比は１．０よりも大きくなる。なお、排出通路１５のＮＨ₃酸化触媒Ｃ２の上流側には、燃焼ガスＧ２中のＣＯおよびＮＯｘ還元触媒Ｃ１で生成されたＮＨ₃の酸化に適した量（例えば、ＣＯおよびＮＨ₃を酸化するための理論空気量）の空気が空気ノズル３５から供給されることが好ましい。

次いで、空気が混合された燃焼ガスＧ２は、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２を通過する。そして、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２において、燃焼ガスＧ２とＮＨ₃酸化触媒Ｃ２に含まれる触媒成分とが接触することにより、燃焼ガスＧ２に含まれるＮＨ₃がＮＨ₃酸化触媒Ｃ２に吸着される。ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２に吸着されたＮＨ₃は、燃焼ガスＧ２中の酸素により酸化されてＮ₂とＨ_２Ｏになり、ＮＨ₃が低減される。

次いで、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２を通過した燃焼ガスＧ２は、ＣＯ酸化触媒Ｃ３を通過する。そして、ＣＯ酸化触媒Ｃ３において、燃焼ガスＧ２とＣＯ酸化触媒Ｃ３に含まれる触媒成分とが接触することにより、燃焼ガスＧ２に含まれるＣＯがＣＯ酸化触媒Ｃ３に吸着される。ＣＯ酸化触媒Ｃ３に吸着されたＣＯは燃焼ガスＧ２中のＯ₂により酸化されてＣＯ₂となり、ＣＯが低減される。

この結果、燃焼ガスＧ２中のＮＯｘ、ＣＯは実質的に零に低減され、燃焼ガスＧ２が給水予熱器１８の水を加熱した後、排出口１５Ａから大気中へ排出される。

このように、本実施形態に係る燃焼装置１０によれば、空気比等を調整して空気比を１よりも小さくして還元性雰囲気とした燃焼ガスＧ２をＮＯｘ還元触媒Ｃ１に通過させた後、燃焼ガスＧ２の空気比を１以上として、燃焼ガスＧ２をＮＨ₃酸化触媒Ｃ２、ＣＯ酸化触媒Ｃ３の順に通過させている。この時、燃焼ガスＧ２がＮＨ₃酸化触媒Ｃ２を通過する際の燃焼ガスＧ２のガス温度を所定の温度Ｔ₁の範囲内とする。これにより、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１でＮＯｘを還元した際にＮＨ₃が生成されても、ＮＨ₃はＮＨ₃酸化触媒Ｃ２において酸化されてＮ₂となる割合が増大し、ＮＨ₃が酸化されてＮＯｘになる割合を低減できるため、燃焼ガスＧ２中にＮＯｘが生成されるのを抑制することができる。この結果、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２、ＣＯ酸化触媒Ｃ３において燃焼ガスＧ２中に含まれるＮＯｘ、ＣＯなどを安定して浄化できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。例えば、本実施形態に係る燃焼装置１０は、燃料調整弁２４、送風機２１で燃料ガスの燃料供給量と燃焼用空気の送風量とを調整して混合ガスＧ１の空気比を調整するようにしているが、これに限定されるものではない。次に、混合ガスＧ１の空気比を調整する他の例を説明する。

図６は、本実施形態に係る燃焼装置１０の他の構成を示す図である。図６に示すように、本実施形態に係る燃焼装置１０は、給気通路２２に空気比調整手段４１を設けるようにしてもよい。空気比調整手段４１は、給気通路２２の開度（流路断面積）を調整するダンパ（流量調整手段）４２と、このダンパ４２の開度位置を調整するためのダンパ位置調整装置４３とを備えている。ダンパ位置調整装置４３は、ダンパ４２の回転軸に着脱自在に連結される駆動軸を備え、ダンパ４２は駆動軸を介して回転する。

このとき、制御装置１９は、燃料調整弁２４によりガス燃料供給管２３から燃料を供給する燃料供給量と、送風機２１から送風される燃焼用空気の送風量の他に、ダンパ位置調整装置４３でダンパ４２により給気通路２２を流れる燃焼用空気の送風量を制御することにより混合ガスＧ１の空気比を調整する。送風機２１、燃料調整弁２４およびダンパ位置調整装置４３は、制御装置１９からの制御信号に基づいて、予め定めた所定のタイミングで、燃焼用空気の送風量および燃料ガスの供給量により空気比を調整して燃焼ガスＧ２がＣＯ、Ｈ_２等を含有した還元性雰囲気となるようにする。

本実施形態においては、通風器３３から取り込んだ空気を用いた場合について説明したが、給気通路２２内を流れる燃焼用空気を一部抜き出して用いてもよい。

本実施形態においては、酸化ガスとして、ＮＯｘ還元触媒Ｃ１とＮＨ₃酸化触媒Ｃ２の間に空気供給部１７が空気を排出通路１５の通路内に供給する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、酸素を含む酸化性ガスであれば同様に適用できる。

本実施形態においては、浄化部がＮＯｘ還元触媒Ｃ１、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２、ＣＯ酸化触媒Ｃ３を有する浄化装置１６により構成される場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２のみでＣＯの酸化も行える場合には、ＣＯ酸化触媒Ｃ３を設けなくてもよい。

本実施形態においては、排出通路１５に、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２、ＣＯ酸化触媒Ｃ３を燃焼ガスＧ２の流れ方向からこの順に配置しているが、これに限定されるものではなくＮＨ₃酸化触媒Ｃ２、ＣＯ酸化触媒Ｃ３の配置の順番を逆にしてもよい。

本実施形態においては、燃焼ガスＧ２に含まれるＮＯｘ、ＣＯのみを浄化する場合について説明したが、ＮＯｘ、ＣＯ以外のガス成分を含むガスに対しても同様に適用してもよい。

本実施形態においては、本実施形態に係る燃焼装置１０が制御装置１９を備え、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２の設置位置は、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度の範囲内となるように調整している場合について説明したが、これに限定されるものではなく、制御装置１９を備えない構成としてもよく、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２が燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度の範囲内となる領域に設置されていればよい。

本実施形態においては、制御装置１９が、混合ガスＧ１の空気比、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２の設置位置は、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度の範囲内となるように、燃焼用空気、燃料ガスの供給量を調整するようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、制御装置１９が、燃焼量の増減など燃焼量を変化させる場合などの非定常燃焼等により、混合ガスＧ１の空気比、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２の設置位置が所定の温度範囲となる条件を一時的に満足しない場合があってもよい。また、燃焼ガスＧ２の成分の偏在等に起因してＮＨ₃酸化触媒Ｃ２の設置位置が一時的に所定の温度範囲とならない場合があってもよい。

また、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２の設置位置が燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度の範囲内となる領域が常に一定であることは要せず、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２の設置位置は所定の温度範囲となる領域が運転条件や時間によって範囲が変更し、又は位置が変更されてもよい。例えば、制御装置１９は、触媒活性化材料の種類や、粒の大きさ、粒の形状など触媒活性化材料の形態に応じて、ＮＨ₃酸化触媒Ｃ２の設置位置が所定の温度範囲となる領域を調整、設定することができる。

また、本実施形態においては、浄化装置１６を貫流型の蒸気ボイラに適用する場合について説明したが、蒸気ボイラのみならず温水ボイラに対しても適用可能であり、また、貫流型ボイラの他、水管が環状に配列された多管式のボイラ、炉筒煙管ボイラ、バーナにより加熱管を直接加熱する給湯器等、種々の構造のボイラに適用することが可能である。

１０ 燃焼装置（ボイラ）
１１ 燃焼用空気供給部
１２ 燃料供給部
１３ バーナ
１４ 缶体（吸熱手段）
１４Ａ 上部管寄せ
１４Ｂ 下部管寄せ
１４Ｃ 水管群
１５ 排出通路
１６ 浄化装置
１７ 空気供給部（酸化ガス供給部）
１８ 給水予熱器（熱回収器）
１９ 制御装置
２１ 送風機
２２ 給気通路
２３ ガス燃料供給管
２４ 燃料調整弁
２５ 燃料ノズル
２６ 燃料供給ライン
２７ 内側水管（内側伝熱管）
２８ 外側水管（外側伝熱管）
２９ 耐火物
３０ 連結壁
３２ 燃焼ガス出口
３３ 通風器
３４ 空気供給管（酸化ガス供給管）
３５ 空気ノズル
３８−１、３８−２ 空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
３９ 燃焼制御部
４１ 空気比調整手段
４２ ダンパ
４３ ダンパ位置調整装置
Ｇ１ 混合ガス
Ｇ２ 燃焼ガス
Ｃ１ ＮＯｘ還元触媒
Ｃ２ ＮＨ₃酸化触媒
Ｃ３ ＣＯ酸化触媒
Ｓ ガス流動空間

Claims (3)

1. 燃料を燃焼させることでＮＯｘ、ＣＯを含む燃焼ガスを生成するバーナと、
   前記燃焼ガスから吸熱する吸熱手段と、
   前記吸熱手段で熱が奪われた燃焼ガスを外部に排出する排出通路と、
   前記吸熱手段内で前記燃焼ガスが流れる空間又は前記排出通路に設けられ、前記燃焼ガス中のＮＯｘを還元する触媒成分を備えるＮＯｘ還元触媒と、
   前記排出通路内で前記ＮＯｘ還元触媒よりも前記燃焼ガスの流れ方向の下流側であって前記燃焼ガス中のＮＨ₃がＮＯｘに酸化される割合よりもＮ₂に酸化される割合が高い所定のガス温度の範囲内となる領域に設けられ、少なくとも前記燃焼ガス中のＮＨ₃を酸化する触媒成分を備えるＮＨ₃酸化触媒と、
   前記排出通路の前記ＮＯｘ還元触媒と前記ＮＨ₃酸化触媒との間に設けられて、前記空間に酸素を含有する酸化ガスを供給するための酸化ガス供給手段と、
   前記燃料を理論空気比以下で燃焼させ、前記燃焼ガスを生成する燃焼制御手段と、
   を有することを特徴とする燃焼装置。
2. 請求項１において、
   前記ＮＨ₃酸化触媒よりも前記燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記燃焼ガス中のＣＯを酸化する触媒成分を備えるＣＯ酸化触媒を有することを特徴とする燃焼装置。
3. 請求項１又は２の燃焼装置を用いて、燃料を燃焼させることにより発生した燃焼ガスに含まれるＮＯｘ、ＣＯを低減する燃焼ガスの浄化方法であって、
   前記燃焼ガスがＮＨ₃酸化触媒を通過する際の前記燃焼ガス中のＮＨ₃がＮＯｘに酸化される割合よりもＮ₂に酸化される割合が高い所定のガス温度の範囲内となるように、前記燃料を理論空気比以下で燃焼する燃焼工程と、
   前記燃焼ガスから吸熱する吸熱手段を前記燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路又は前記吸熱手段で熱が奪われた燃焼ガスを外部に排出する排出通路に設けたＮＯｘ還元触媒により、前記燃焼ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ還元工程と、
   前記ＮＯｘ還元触媒を通過した前記燃焼ガスに酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給工程と、
   前記排出通路内で前記所定のガス温度の範囲内の領域に設けたＮＨ₃酸化触媒により、前記燃焼ガス中のＮＨ₃を酸化し、Ｎ₂を生成するＮＨ₃酸化工程と、
   を含み、
   前記ＮＨ₃酸化触媒を通過する際の前記燃焼ガスの温度が前記所定のガス温度の範囲外の場合には、燃焼を調整することを特徴とする燃焼ガスの浄化方法。
   

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